Поиск и селекция реального инновационного контента в биомедицинских проектах при помощи методов и приёмов ТРИЗ ( часть вторая )

2013-12-21

Андрей ( Гавриэль ) Лившиц

Биологам удалось найти способ получения индуцированных стволовых клеток без использования методов генной инженерии - обычные клетки превратили в стволовые исключительно за счет воздействия химических веществ. Подробности со ссылкой на статью ученых в Science приводит Nature News.
Эксперимент ученых из университета Пекина в Китае был проведен на клетках мышей. Вместо того, чтобы внедрять в эти клетки дополнительные фрагменты ДНК, исследователи воздействовали на них химическими веществами. Биологи искали молекулы, которые способны вызвать тот же эффект, что и активация ключевого для перепрограммирования клеток гена Oct4. На предварительных этапах своей работы исследователи перебрали около десяти тысяч веществ.
Вначале ученые нашли одно вещество, которое вызывает в клетках ряд изменений, напоминающих начальный этап перепрограммирования. Эти изменения не приводили к превращению клетки в стволовую, но специалисты продолжили работу и добавили еще один компонент: 3-деазанепланоцин А, сокращенно DZNep. Этот реактив уже был хорошо известен молекулярным биологам в качестве ингибитора метилирования ДНК, поэтому его добавление принесло первый положительный результат — несколько клеток превратились в стволовые.
Добавление ингибитора метилирования ДНК (вещества, блокирующего реакцию добавления к ДНК метильных групп) оказалось критически важным шагом за счет воздействия на механизм регуляции активности генов. Метилированная ДНК в клетках недоступна для считывания, а ее возвращение в обычную форму, напротив, разрешает чтение генетической информации с последующим синтезом белков. Ингибиторы метилирования ДНК, включая DZNep, другие группы ученых исследовали в том числе как средство для реактивации молчащих генов в раковых клетках. Китайские специалисты смогли найти этому реактиву применение в процессе получения стволовых клеток.
Итоговый рецепт перепрограммирования предусматривает не только воздействие веществом, способным заменить внедрение в клетку дополнительных копий гена Oct4 и не только DZNep. Еще пять ингредиентов позволили существенно повысить вероятность успешной клеточной трансформации, вплоть до 0,2 процента. Этот показатель, как отмечают исследователи, сопоставим с результатами генноинженерного перепрограммирования.
Проведенные с выделенными из культуры перепрограммированными (или индуцированными) стволовыми клетками опыты показали, что они обладают теми же свойствами, что и стволовые клетки генноинженерной природы. Кроме того, авторы методики подчеркивают безопасность выбранных реактивов: пять компонентов из семи уже зарегистрированы в качестве лекарственных средств, что предполагает прохождение необходимых проверок.
Исследователям из Орегонского университета науки и здоровья вместе с коллегами из школы медицины при университете Бостона и университета Махидола в Бангкоке (Таиланд) удалось воплотить в жизнь некогда популярную в генетике идею: вместо того, чтобы перепрограммировать зрелые клетки в стволовые или просто извлекать их из эмбрионов, ученые сначала клонировали взрослого человека из фибробласта, а затем из клона получили стволовые клетки.
Под «эмбрионом» в статье исследователей для журнала Cell подразумеваются вовсе не плод со сформировавшейся нервной системой, а бластоцисты. Их получают из донорских яйцеклеток и при этом даже не оплодотворяют: ни о каком «абортивном материале» речь не идет.
Ученые подчеркивают, что при помощи эмбриональных стволовых клеток предполагается лечить угрожающие жизни заболевания, с их помощью можно восстанавливать утраченные органы, а донорские яйцеклетки получены от добровольцев, которым выплачивается несколько тысяч долларов. Донорство в научных целях даже проще медицинского, так как не требует синхронизации менструальных циклов донора и рецепиента, а безопасность процедуры сопоставима с донорством костного мозга.
Полученные из бластоцист клетки отличались всеми признаками стволовых, и ранее аналогичные обезьяньи клетки удалось превратить в клетки поджелудочной железы, костного мозга, гепатоциты (клетки печени), нейроны и даже клетки сердечной мышцы, которые могли синхронно сокращаться друг с другом. Первая линия стволовых клеток была получена из клонов, созданных на основе клеток кожи человеческого плода (снова поясним: лаборатория заказала стандартную культуру клеток, а не работала непосредственно с абортивным материалом), а вторую линию исследователи получили при помощи генетического материала 8-месячного ребенка с редким врожденным заболеванием, синдромом Лея. Это крайне редкое расстройство вызывается дефектом митохондрий и сопровождается нарушениями в работе нервной системы, а получение стволовых клеток могло бы помочь исследователям в поиске возможных методов лечения.
Терапевтическое клонирование имеет перед альтернативными методиками два преимущества. В отличие от перепрограммированных клеток, клонированными эмбриональные могут иметь больший потенциал к превращению в любые нужные ткани, а в сравнении с обычными эмбрионами они не требуют уникального генетического материала: клонированные эмбрионы генетически не отличимы от клеток самого пациента.
Ученые обнаружили, что вызывающие проказу бактерии Mycobacterium leprae способны превращать глиальные (шванновские) клетки мозга в стволовые и использовать их для распространения по организму. Работа опубликована в журнале Cell, а ее краткое содержание приводит NatureNews.
Шванновскими называют вспомогательные клетки мозга, которые окружают волокна нейронов, оборачиваясь вокруг них подобно шубе. Шванновские клетки обеспечивают электрическую изоляцию нейронов, благодаря которой увеличивается скорость проведения возбуждения. Как и большинство клеток глии, они обычно не передвигаются по организму и живут всегда на одном месте.
Авторы исследования обнаружили, что микобактерии проказы M. leprae, проникнув в шванновские клетки, перепрограммируют их в стволовые. Это делается для того, чтобы использовать последние в качестве транспорта. Стволовые клетки мозга, в отличие от созревших, часто мигрируют на довольно значительные расстояния. Зараженные же бактериями стволовые клетки, как обнаружили авторы, проникают в мышцы, проходя сквозь барьер, отделяющий мозг от остального организма.
Перепрограммирование осуществляется путем выключения «зрелых» и включения «детских» генов шванновских клеток. Приблизительно также стволовые клетки удалось получить Синъя Яманаке, получившем в 2012 году за свою работу Нобелевскую премию. Обнаруженный авторами новой работы феномен довольно необычен для бактериальных инфекций. В управление генами хозяина обычно вмешиваются вирусы, которые, например, зомбируют гусениц шелкопряда, заставляя их забираться на деревья, чтобы увеличить радиус распространения вирионов.
Ученые установили, что деление стволовых клеток мозга управляется генами, связанными с синтезом липидов. Работа опубликована в журнале Nature, а ее краткое содержание приводит пресс-релиз Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.
Авторы показали, что при ингибировании синтеза новых липидов клеточной мембраны у стволовых клеток блокируются процессы деления. Этот синтез, который осуществляется белковым комплексом синтазы жирных кислот (Fasn) управляется геном Spot14. В отличие от зрелых нейронов, у стволовых клеток синтаза Fasn активно работает, превращая потребляемую глюкозу в "кирпичики" для мембран новых клеток. Такая связь метаболизма с делением указывает ученым мишень, воздействуя на которую, потенциально возможно стимулировать нейрогенез.
Стволовые клетки мозга являются единственным источником новых нейронов в мозге взрослого животного. У млекопитающих они расположены в двух областях - в обонятельных луковицах и в области гиппокампа. Первая из этих зон, как показали недавние исследования, у человека не участвует в нейрогенезе, однако он достаточно активно идет во второй зоне.
Механизмы, запускающие деление стволовых клеток и образование из них новых нейронов пока изучены достаточно слабо. Известно, что на уровне организма на этот процесс может влиять физическая активность и лекарства-антидепрессанты. Подробнее об этом может прочитать здесь и здесь.

Международная группа биологов прочитала геном коловратки Adineta vaga и обнаружила, что эти организмы, отказавшиеся от полового размножения миллионы лет назад, из-за приобретенных особенностей генома уже не способны к нему вернуться. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Ключевым отличием генома Adineta vaga, по словам ученых, является «перетасовка» в нем аллельных генов. Те гены, которые у организмов с половым размножением располагаются на парных хромосомах, у коловраток перепутаны — и исходно материнская, и исходно отцовская копии у Adineta vaga часто находятся на одной и той же хромосоме. Это делает невозможным обычное половое размножение, так как в процессе образования половых клеток (мейозе) происходит спаривание хромосом c последующим обменом генами (кроссинговером), а у коловраток многим генам просто не с кем спариваться.
Несмотря на то, что самцов коловраток никогда обнаружить не удавалось, ученые до сих пор не могли исключить наличие у них некого полового процесса, происходящего в очень редких случаях (даже среди «обычных» микроорганизмов нормой является размножение бесполым путем, а к половому процессу они прибегают очень редко).
Кроме того, прочтение генома Adineta vaga позволило установить, что около 8 процентов всей ДНК беспозвоночного представляют собой последовательности, «украденные» у бактерий и других микроорганизмов. То, что коловратки легко включают чужую ДНК в свой геном и поддерживают за счет нее видовое разнообразие, было известно с 2008 года. Тем не менее, до полного прочтения генома масштаб этого процесса был не вполне ясен.
Отказ от полового размножения встречается довольно часто в разных группах животных, однако подобный процесс всегда ведет к относительно быстрому вымиранию. Микроскопические многоклеточные коловратки, которых обычно можно найти в лужах и других пресных водоемах, являются исключением из этого правила. Эта группа существует без полового размножения, по-видимому, уже несколько миллионов лет и успела разделиться на более чем четыре сотни видов. Успех партеногенеза у коловраток ученые связывают с тем, что эти животные очень легко заимствуют чужую генетическую информацию, и таким образом, поддерживают свое разнообразие.
Группа японских исследователей смогла получить миниатюрную печень из человеческих стволовых клеток. Плюрипотентные клетки превратились в диск диаметром 4 миллиметра, который подтвердил свою работоспособность, будучи пересаженным в организм подопытной мыши с вышедшей из строя собственной печенью. Подробности работы приведены в журнале Nature, а кратко о ней рассказал Nature News.
Исследователи использовали индуцированные плюрипотентные клетки, то есть стволовые клетки, полученные путем перепрограммирования зрелых клеток взрослого человека. Далее их удалось превратить как в гепатоциты, так и в клетки сосудов и соединительной ткани; ученые получили трехмерную структуру, гистологический анализ которой показал наличие всех необходимых для печени элементов.
Пересадка выращенных в пробирках миниатюрных дисков диаметром около четырех миллиметров подопытным мышам продемонстрировала работоспособность искусственной печени. Через двое суток после операции кровеносные сосуды животного соединились с сосудами печени, а клетки продолжили деление: орган начал расти дальше. Печень известна своей высокой способностью к регенерации, поэтому больным, которым требуется новая печень, часто пересаживают небольшую часть органа, взятую у живого донора.
Говорить о скором внедрении в клиническую практику пересадок печени из стволовых клеток пока не приходится. Исследователи намерены сначала пронаблюдать за поведением искусственной печени в организме мыши, чтобы убедиться в ее безопасности и стабильности. Некоторые предыдущие научные работы показали, что индуцированные стволовые клетки чаще перерождаются в опухолевые клетки, поэтому вначале надо убедиться в способности новой печени ограничивать свой рост и сохранять требуемые функции.
Несмотря на то, что пересадки печени хорошо отработаны и пациенты после них могут возвращаться к активной жизни, их нельзя назвать рутинной и доступной операцией: иммунологические ограничения затрудняют подбор донора. Для решения проблемы дефицита органов ученые в настоящее время работают в нескольких направлениях: одни группы пытаются собрать печень из готовых клеточных культур (такую печень уже напечатали на 3D-принтере), другие пытаются повторить процесс формирования органа из стволовых клеток с нуля.

полезный материал? Нажмите: